松科2井巖芯保護技術(shù)方法與效應分析

崔立偉，張晨光，張?zhí)K江，姜愛玲，劉桂云

(國土資源實物地質(zhì)資料中心，河北 三河 065201)

科學鉆探井是人類了解地球結(jié)構(gòu)構(gòu)造，豐富對生命、資源、氣候等認識的重要途徑，而進行深部科學鉆探研究最為直接的證據(jù)便是有限數(shù)量的實物巖芯，但在實際工作過程中，由于環(huán)境、人為等因素往往對這些巖芯造成不同程度的損壞或碎裂。

常規(guī)固體礦產(chǎn)類巖芯或油氣類巖芯從井底取出后，常直接自然條件下存放，無巖芯包裝、整理、拼接、澆注等任何保護措施，放在一個敞開的、暴露于空氣中的塑料盒里。一般情況下，常規(guī)固體礦產(chǎn)類巖芯抗風化作用強，多數(shù)可保存很長一段時間，有些甚至可以存放幾十年[1]。像油氣類巖芯中的砂礫巖穩(wěn)定性較好，可自然狀態(tài)下正常保存，而對于抗風化能力差的煤、泥頁巖巖芯，由于長期暴露于溫度、濕度變化的空氣中，易導致巖芯發(fā)生風化而碎裂解體呈塊狀或粉末狀，破環(huán)了巖芯原有的地質(zhì)特征，這種破壞不利于地質(zhì)科學研究。當前，對于油氣類巖芯中主要層段或易風化層段常采取如蠟封保存、冷庫保存等的保護措施。蠟封方法是用不透明蠟紙包裹巖芯，然后整體浸蠟，有防水隔絕空氣作用，但是給觀察或測試分析巖芯帶來諸多不便，每次巖芯利用都必須打開蠟封包裝，巖芯利用后再次重新蠟封包裹，費時費力。冷庫保存需有某一長期固定的場所，雖然長期保護效果較好，但容易受到場地空間限制，也需大量的財力、物力，針對我國大量的油氣類巖芯，只能選取重要意義的巖芯進行保存，因此該方法應用條件也有限。

松科2井(SK-2)即是大陸科學鉆探、也是深部鉆探，其巖芯保護科學價值重大。目前，我國針對深部鉆探或大陸科學鉆探產(chǎn)生巖芯的保護還沒有形成一套完整的技術(shù)方法或標準，常規(guī)固體礦產(chǎn)類巖芯或油氣類巖芯的保護措施對大量的松科2井巖芯(約4 000 m)來說，技術(shù)方法、設(shè)備實施條件等也很有限，為更加有效地保護和利用這些珍貴的巖芯，確保深部地層能夠以原位的、完整的、精準的、清晰的實體巖芯展現(xiàn)其蘊含的地質(zhì)信息，便于進行地質(zhì)科學研究，開展相關(guān)的巖芯保護技術(shù)研究工作十分必要。

因此，本文依據(jù)松科2井巖芯保管過程中形成的保護技術(shù)方法及采取的保護措施，結(jié)合長期保護的應用效果，介紹松科2井巖芯保護技術(shù)方法與在實際利用中產(chǎn)生的社會效應。希望這些巖芯保護方法對推進全國實物巖芯的保護起到一定的借鑒作用。

1 松科2井基本概況

松遼盆地白堊紀大陸科學鉆探-松科2井東井設(shè)計井深6 400 m(設(shè)計取芯井段2 863.23～6 400 m)，位于黑龍江省安達市南來鄉(xiāng)六撮房村東南，構(gòu)造位置位于松遼盆地中央坳陷區(qū)(圖1)。從2006年底開始，由王成善牽頭，國家開始進行松科2井在ICDP的立項等工作，該項目于2009年9月申報成功，2011年開始進行籌備、井位論證、踏勘等工作，2014年采用吉林大學研制的“地殼一號”萬米科學鉆機開始鉆探[2]。松科2井鉆探項目由王成善擔任首席科學家，中國地質(zhì)科學院勘探技術(shù)研究所負責組織實施[3]，其他相關(guān)單位負責鉆井、錄井、測井、地質(zhì)研究等多方面工作，其中國土資源實物地質(zhì)資料中心(以下簡稱“實物中心”)主要負責實物地質(zhì)資料的管理與服務。

圖1 松科2井井位示意圖(資料來源：據(jù)文獻[2]修改)

2 松科2井巖芯接收與保護意義

實物中心是國內(nèi)唯一一家權(quán)威性的國家級實物地質(zhì)資料館藏機構(gòu)，承擔兩個方面責任：一是協(xié)助項目管理部門管理實物地質(zhì)資料，規(guī)范勘查實物地質(zhì)資料保護、匯交、接收等；二是承擔管理實物資料責任，向社會提供公益性服務。

松科2井是全球第一口鉆穿白堊紀的全球最大陸相地層的大陸科學鉆探井，也是國際大陸科學鉆探計劃在中國的第三口科學鉆探井。它將與已完成的松科1井一并實現(xiàn)“兩井四孔、萬米連續(xù)取芯”，填補完整的、連續(xù)的白堊紀陸相沉積記錄世界空白，建立起為全球?qū)φ盏母叻直媛赎懴喟讏准o地質(zhì)剖面，可成為建設(shè)“百年大慶”和基礎(chǔ)地質(zhì)服務的“金柱子”，也為松遼盆地及其相關(guān)類似盆地的地球物理勘探提供科學“標尺”[2-7]。

因此，實物中心接收管理松科2井巖芯，對其進行有效保護，具有重要的館藏價值和服務研究價值。同時，管理與研究過程中形成的技術(shù)方法可以在國家和省級深部鉆探巖芯管理中得到推廣應用，有效地促進深部鉆探巖芯的管理與保護[8-12]。

3 松科2井巖芯保護技術(shù)方法

依據(jù)王璞珺等[2]的巖芯精細描述結(jié)果，松科2井易碎巖芯包括泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、煤和凝灰?guī)r等，為方便起見簡稱為易碎巖。固結(jié)較好的巖性包括礫巖、砂巖、粉砂巖、火山巖和變質(zhì)巖等，簡稱為硬巖。硬巖巖芯由于固結(jié)相對較好，可以長時間在自然條件下存在而巖芯不發(fā)生變化。易碎巖巖芯則不同，這類巖芯由于長時間裸露在外面，容易受到溫度、濕度、壓力等變化的影響，導致巖芯狀態(tài)發(fā)生變化而發(fā)生碎裂。

3.1 巖芯包裝方法

野外鉆探現(xiàn)場至實物中心距離約為1 200 km，巖芯從野外需要專車進行長距離的運輸，若不進行一定的保護，運輸過程中巖芯發(fā)生的振動、碰撞及不可預見的車輛事故等都容易對巖芯造成不必要的損壞或損毀，因此為保證松科2井巖芯在運輸過程中完好無損，運輸前需對巖芯進行必要的整理與包裝。主要包括以下三個步驟。

1) 需用2塊保溫棉(長×寬×厚：1 m×0.3 m×0.05 m，寬度可依據(jù)巖芯的直徑而定)沿巖芯盒兩側(cè)包裝，封住巖芯，后用封箱膠帶在巖芯盒兩側(cè)及中間(圖2中的1、2、3三個點)位置進行繞圈封箱，防止巖芯在運輸過程中對巖芯盒兩側(cè)的擠壓或造成不必要的碰撞破壞。

圖2 三層包裝保護

2) 在第一層保溫棉上加上2個方木條，后用封箱帶膠在巖芯盒兩側(cè)及中間位置在進行繞圈封箱，固定方木條，起到固定巖芯的作用，減緩巖芯盒內(nèi)巖芯的振動。

3) 在第二層方木條上加1塊保溫棉，在用封箱膠帶在進行繞圈封箱，形成第三層保護防震措施，可以減緩羅列的上層巖芯重量對其造成的壓力。

利用此方法包裝的巖芯，可以有效防止巖芯在運輸過程中可能發(fā)生的不可預見的破壞，同時即使巖芯盒從運輸車輛上掉落下來，也可保證巖芯扔完好無損的保持在巖芯盒內(nèi)，在運輸過程中對巖芯起到保護的作用。當然，在應用此方法時，需要技術(shù)人員嚴格按照此工作步驟進行包裝，此外，包裝材料也需要有一定的質(zhì)量保證，如保溫棉若太薄或太短，均可能在運輸過程中造成巖芯的外漏或造成防壓效果減弱。

3.2 巖芯澆注方法

松科2井巖芯從地下鉆取出后，由于地下的地層壓力、溫度、濕度等與地表存在差別，加之后期長期暴露于溫度、濕度等變化的自然條件下，很容易造成巖芯，特別是易碎巖芯，發(fā)生碎裂解體，碎裂解體后巖芯呈塊狀或粉末狀，形狀大小不一，參差不齊，造成原有巖芯的巖性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等地質(zhì)信息發(fā)生變化，對后期巖芯的觀察、照相、測試分析等利用造成影響，這種破壞也非常不利于地質(zhì)科學研究。

為了更加有效防止巖芯發(fā)生碎裂解體，促進松科2井巖芯的地質(zhì)科學研究利用，本文采用樹脂膠、固化劑和促進劑(體積比1 000∶(2～3)∶1)調(diào)配后的混合液對巖芯進行澆注，以起到對松科2井鉆探巖芯進行保護和長久保存的作用。具體的澆注方法有易碎巖巖芯360°澆注和凹型澆注。

3.2.1 易碎巖巖芯360°澆注

此方法更適用于野外鉆探現(xiàn)場。當鉆探巖芯取到地面上，在完成地質(zhì)錄井工作后5 h內(nèi)，將巖芯面清潔干凈的易碎巖巖芯放置到相應平整的巖芯盒中，利用塑料燒瓶將調(diào)配后的混合液，在巖芯盒內(nèi)從巖芯的淺部至深部順次均勻倒在巖芯面上，倒入膠體過程中需保持巖芯各個部分均有膠體粘入即可，進而實現(xiàn)對松科2井易碎巖巖芯的360°澆注保護(圖3)。在室溫條件下，這種混合液2～3 h自然風干后，在巖芯表面形成一薄層保護膜，可長時間有效防止巖芯由于環(huán)境變化發(fā)生碎裂現(xiàn)象，起到保護巖芯的作用。利用該方法進行倒膠體時，注意倒入膠體的量，若過多，很容易造成巖芯底部膠體過厚，而不利于巖芯的后期取、放工作。

圖3 易碎巖巖芯360度澆注

目前，通過對2015年就已利用此澆注方法進行保存的松科2井巖芯保存效果觀察，360°澆注易碎巖巖芯仍保持著非常好的完整性，不存在巖芯破碎或出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。

3.2.2 凹型澆注

該方法主要應用于經(jīng)常進行觀察、照相、測試分析等利用，且需要室內(nèi)長期保管的巖芯。具體澆注步驟如下所述。

1) 為保證巖芯的拋光橫切面與水晶U型巖芯盒外緣處于同一平面，在放置巖芯前，需用云石膠在水晶槽與巖芯之間凝固，以凝固的云石膠為支撐托起巖芯，使得巖芯切面與水晶槽外緣齊平(圖4(a))。操作如下：①將巖芯拋光面面朝下水平放置，在巖芯外表面弧底兩側(cè)，選擇8～10個點放置云石膠膠團；②將水晶槽倒扣在巖芯上，讓巖芯表面云石膠與水晶槽面充分接觸，放置2～4 h，使云石膠凝固充分；③將凝固充分的巖芯與水晶槽面面朝上水平放置，用吸風機除去巖芯表面的雜質(zhì)。

2) 利用調(diào)配后的混合液對巖芯進行水晶U型盒內(nèi)澆注(圖4(b))，操作如下：①沿露出水晶槽盒底一側(cè)，注入膠體，確保膠體沿水晶盒底部流動，使膠體自下而上逐步充填巖芯，直至巖芯拋光面為止，在室溫條件下，膠體約12 h后會自然凝固；②由于樹脂膠凝固后會收縮，因此每次凝固后需要及時進行補膠，具體次數(shù)視凝固效果而定，一般補膠4次，最終保證凝固后樹脂面與巖芯拋光面齊平即可。

圖4 巖芯澆注

采用巖芯凹型澆注技術(shù)，雖可以有效減緩巖芯發(fā)生潮濕、風化的速度，可以防止巖芯發(fā)生碎裂，但在保存過程也需注意巖芯面的保護，采取一定的防曬、防潮等措施。此外，在倒膠時注意防止膠水濺落在巖芯表面，以免對巖芯面造成化學污染。

3.3 巖芯拼接方法

由于地質(zhì)鉆探、自然環(huán)境、人為等因素的影響，巖芯經(jīng)常發(fā)生斷裂或出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。為了盡可能的恢復巖芯地層地質(zhì)面貌，最大程度地實現(xiàn)巖芯原始地層巖芯的歸位，減小巖芯可能發(fā)生的錯位、破碎、丟失等現(xiàn)象，便于開展后續(xù)的巖芯切割、澆注、觀察、高分辨率照相、實驗測試等利用工作，對已經(jīng)發(fā)生斷裂的巖芯，利用標志層、巖性或標志線等識別標志，進行巖芯歸位拼接，還原原始地層實體形態(tài)[12]。

1) 破碎程度小的巖芯。對于破碎程度小的大塊巖芯，標志層、巖性或標志線等相對容易識別，在保證巖芯頂?shù)撞话l(fā)生顛倒的情況下，按照破碎紋理拼接成原始的圓柱形即可(圖5)，具體操作如下所述。①石條加固。為固定巖芯的相對位置，需借助2根截面為1 cm×2 cm的人造石條和石云膠進行加固，石條加固時,石條位置要避開紅黑線、半米簽、標簽等標識位置。②巖芯粘接。巖芯粘連時主要采用固化劑、石云膠2種材料，在石云膠中加入一定比例的固化劑，攪勻即可。取出已經(jīng)整理完成的一塊巖芯，在巖芯的圓周內(nèi)側(cè)位置涂上混合膠，粘貼石云膠時盡量避免膠體對巖芯的涂抹，也需避免膠體涂在標識上，然后依次粘接各塊巖芯，形成完整圓柱體。

圖5 拼接前后完整性對比

2) 破碎程度大的巖芯。由于巖芯破碎程度較大(多成小塊狀)，拼接操作較難，也很難保證其相對位置不發(fā)生變化。對于這種巖芯可直接在相應巖芯位置進行固定，保持其現(xiàn)有狀態(tài)，使其不再發(fā)生破碎和相對位置的變化即可。

進行巖芯拼接時，技術(shù)人員務必注意巖芯拼接擺放順序，切勿發(fā)生顛倒或錯位現(xiàn)象。

4 松科2井實物地質(zhì)資料保護社會效應

4.1 保護技術(shù)應用

從2015年開始，實物中心便開展對松科2井巖芯接收管理及保護等相關(guān)工作，野外鉆探現(xiàn)場所有的易碎巖巖芯全部都進行360°澆注，在將松科2井巖芯運回國家館前，對全部巖芯進行了整理、三層包裝，截至2017年底，已接收松科2井巖芯3 876.03 m，全部保存完整。

國家館內(nèi)部工作中，完成易碎巖巖芯的拼接，共計約1 571.00 m(按1 m/盒計算)，澆注巖芯2 267.00 m(按1 m/盒計算)，這些對松科2井鉆探巖芯的長久保存均起到很好的保護作用。

4.2 社會效應

通過加強對松科2井巖芯的保護與保管，相當于把野外地質(zhì)考察工作搬運到室內(nèi)，減少野外環(huán)境對實物及科研人員的影響，保留了重要的深部鉆探實物成果檔案。

通過對巖芯進行有效保護，除可以防止人為或環(huán)境對其造成的損毀、流失外，還可以減少對環(huán)境及資源的破壞，并且對于重要的深部鉆探實物資料可以進行重復科學利用，提取完整的地質(zhì)信息，避免資源的浪費，這些都是非常珍貴的地質(zhì)信息資源。

這些技術(shù)方法首先是應用于松科2井巖芯野外巖芯的管理與館內(nèi)巖芯長久保存等方面，此外大慶油田部分錄井公司在野外現(xiàn)場巖芯整理后，為防止在野外風化破碎，也逐漸利用易碎巖巖芯360°澆注方法進行巖芯澆注。雄安新區(qū)產(chǎn)生的實物地質(zhì)資料(地熱鉆孔、水文調(diào)查鉆孔等)已開始利用上述巖芯保護技術(shù)方法開展巖芯的保護工作。

經(jīng)過近2年對該方法的不斷實踐與應用，由于其對巖芯保護效果非常好，認為這些技術(shù)方法在巖芯保護與管理上具有很強的實用性，有很大的應用利用價值，因此宜將其巖芯保護過程及經(jīng)驗在國家和省級實物巖芯保護中進行推廣應用，進而為有效地促進全國實物地質(zhì)資料的保護提供借鑒。

5 結(jié) 論

1) 野外鉆探現(xiàn)場針對易碎巖巖芯開展360°澆注，可有效防止由于環(huán)境影響而使巖芯發(fā)生碎裂解體現(xiàn)象，對巖芯起到長期保護的作用；巖芯凹型澆注能夠防止巖芯發(fā)生碎裂，也可以減緩巖芯發(fā)生潮濕、風化的速度，有利于對松科2井鉆探巖芯的利用與長久保存。

2) 巖芯包裝保護方法可防止巖芯在運輸過程中可能發(fā)生的破壞，保證巖芯在運輸過程中完整性；易碎巖巖芯拼接，可以還原原始地層實體形態(tài)，便于后續(xù)的巖芯切割、觀察、高分辨率照相、實驗測試等工作。

3) 松科2井具有多項重要的地學科研價值，保管及保護好其巖芯具有重要的館藏價值和研究價值。本文中的保護技術(shù)方法具有很強的實用性和示范性，可以在國家和省級實物巖芯管理中得到推廣應用，還可以有效地促進全國實物地質(zhì)資料的管理與保護。